Temel fizik baştan sona değişiyor olabilir

Üçüncü temel parçacık cinsi bulundu: Anyon

Bir zamanlar doğadaki parçalanamaz en küçük birimin atom olduğuna inanılıyordu. Sonra anladık ki, atom daha da küçük parçalardan oluşuyor. O temel parçacıkların da iki türe ayrıldığını düşünüyorduk. Şimdi bir üçüncü tür parçacık daha olduğuna dair deliller ortaya çıkmaya başladı.

HİKMET CAN PERTAN

Bundan 120 yıl önce, temel fizikte bir büyük ikilik yaşanıyordu. Bir yanda elektro manyetik radyasyon veya radyo dalgaları vardı, bunlarla ilgili sorunlarımızı Maxwell denklemleriyle çözüyorduk. Bir yanda da atomun bizzat kendisi vardı; onu da ta Isaac Newton’dan kalma mekanik denklemlerle anlıyorduk.

Derken James Clerk Maxwell’in ardılı kabul edilen ve ilk kez atomun modelini dünyaya sunan Ernest Rutherford’un doktora öğrencisi, Danimarkalı büyük fizikçi Niels Bohr çıka geldi. 1913’te en basit atom olan hidrojen atomunun modelini anlattı ve çekirdeğin etrafında dolaşan o bir tane elektronun “sıçramala”larını denklemlerine yansıttı.

Bu, bir yerde kuantum mekaniğinin başlangıcıydı; fizikteki ikilik sona ermişti. Elektro manyetik radyasyonu ve atomun kendi davranışını tek bir denklem setiyle anlatabiliyorduk artık.

Fakat kuantum teorisi ilerleyip genişledikçe ve atomun içini biz daha iyi tanımaya başladıkça işler yeniden karıştı. Bir kere atom, basitçe çekirdek ve etrafında dolaşan elektrondan ibaret değildi. O çekirdek “proton” ve “nötron” adı verilen iki farklı parçacığın birleşmesiyle meydana geliyordu.

Daha fenası, proton ve nötron da kendi başına temel parçacıklar değildi. Bunlar “kuark” adı verilen daha temel, daha minik parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşuyordu. O parçacıkları bir araya getiren farklı “güç”ler vardı. Yani o minicik atom sandığımızdan çok daha karmaşıktı.

Fizikteki temel ikilikler bitmedi

Biz, 2020 oldu, hala bir atomun nasıl olup da bir araya geldiğini, bu birleşmeye hükmeden güçleri ve güç alanlarını çözmeye çalışıyoruz. Elimizde halen en iyi araç “Standart Model” adı verilen model; bu da Albert Einstein’ın genel görelilik teorisiyle anlattığı kütle çekimi dışındaki diğer faktörleri açıklama ve kütle çekimi dışta bırakılarak bir atomun nasıl oluştuğunu bize anlatma iddiasında.

Einstein’ın (veya bir başkasının) kütle çekimiyle minicik atomun içinde etki eden güçler, uzun zamandır fiziğin yaşadığı bir başka ikilik. Bu ikiliği çözmeye uğraşıyor fizikçiler ve ortaya bir büyük birleşik teori çıkararak aynı anda hem atomun içindeki davranışları hem de evren çapında mesela galaksilerin davranışlarını izah eden tek bir denklem seti bulmak istiyorlar. Hiç kolay iş değil.

Ancak fiziğin yaşadığı yegane ikilik bu değil. Kuantum teorisi ve atomu bir araya getiren temel parçacık ve güçleri anlama çabamız da bizi bir ikilikle karşı karşıya bıraktı.

Görünüşe göre atomu bir araya getiren temel güç ve parçacıklar iki kategorideydi. Bunlar ya “boson” oluyordu; ya da “Fermion.” (‘Boson’ adı büyük Hintli fizikçi Bose’den, ‘Fermion’ adı ise büyük İtalyan fizikçi Enrico Fermi’den geliyor.)

Peki neydi “boson” ile “fermion” arasındaki fark?

Çok karmaşık bir matematik bu farkı anlatıyor; o karmaşaya hiç girmeden en basit haliyle anlatmaya çalışayım: İki tane birbirinin aynı parçacık hayal edin, mesela elektron. Bunlardan biri diğerinin etrafında bir tur atsın ve başladığı noktaya geri gelsin. Böyle bir durumda o parçacığın kuantum dalga fonksiyonu ya hiç değişmeden kalır (yani denklemin sonucu 0 olur) ya da minik bir değişiklik olur, denklemin sonucu -1 olur.

Eğer parçacığın kuantum dalga fonksiyonu değişmediyse, yani sonuç 0’sa, o parçacık boson. Ama yok değişiklik olduysa o parçacık fermion.

Fermion olmasa kimya da olmazdı, diğer atomlar da

Bu minicik fark, çok büyük şeylere yol açıyor. Mesela elektronlar fermion türünün önemli parçacıkları. Fermionlar fazlasıyla “bireysel” davranan, fazlasıyla özgür ve kendi türüyle yan yana huzur içinde barınamayan parçacıklar. İşte elektronun bu özelliği bize hidrojenden başlayarak periyodik tablonun en sonuna kadar giden atom çeşitliliğini veriyor.

Sadece bu da değil. Atomların içindeki elektronlar “fermion” olmaktan gelen özellikleri sayesinde başka atomlardaki elektronlarla yer değiştirebiliyor, bazen iki ayrı atomdaki elektronların yerini aynı anda işgal edebiliyor; yani bize koca bir kimya bilimini veriyorlar.

Buna karşılık “boson”lar kendi türleriyle bir arada durmaktan hiç rahatsız olmuyorlar. Örneğin foton, bir “boson”. Bu sayede istikrarlı biçimde ışık hızında yol alıyor, başka fotonlarla, farklı dalga boylarına (renklere) sahip olsa dahi birlikte davranabiliyor. O sayede mesela lazerlerimiz var.

Doğada neden böyle bir ikilik var, bunu bilmiyoruz. Ama bir gün öğrenmeyi umuyoruz. Uzunca bir zamandan beri fizik bilimi bu ikilikle birlikte yaşıyor sonuç olarak. Ama görece yakın zamandan beri birileri bu ikiliğin yetersiz olduğu, doğada bir üçüncü tür parçacık cinsinin daha olup olmadığını sorguluyor.

2004 yılında atomun içindeki “kuvvetli güç” hakkındaki katkıları nedeniyle Nobel fizik ödülünü kazanan Massachusetts Institute of Technology’den (MIT) Frank Wilczek, bir süreden beri bu üçüncü türle ilgili teoriler üretiyor. Wilczek bu üçüncü türe bir isim de verdi, “anyon” dedi onlara.

Üçüncü türden yakınlaşmalar

Bu konudaki karmaşık matematiğe girmeden “anyon”un ne olduğunu anlatmaya çalışacağım. Tabii bunu yapmak için önce çok kısaca üç boyutlu nesnelerin şekillerini inceleyen bir
matematik dalı olan topografiden söz etmeliyim.

Topografi üç veya daha fazla boyutlu nesnelerle uğraşıyor; anyonla ne ilişkisi var? Basitçe bir şekilde anlatmanın yolu şu: Öyle bir parçacık düşünün ki, kendisinin bire bir aynısı bir başka parçacığın etrafında dolaşırken her attığı turda dolandığı çemberi biraz küçültsün.

Eğer bu parçacık mesela küre şeklinde bir üç boyutlu uzayda bu dolanma işini yapıyorsa en sonunda kendi başladığı noktada hareketsiz kalana kadar bu yörüngeyi küçülterek diğer parçacığın etrafında dolaşma işini yapabilir.

Peki bu parçacık üç değil de iki boyutlu bir uzaydaysa? O zaman kaçınılmaz biçimde diğer parçacıkla çarpışır.

“İki boyut nereden çıktı?” diye sormayın, etrafımız aslında iki boyutlu nesnelerle dolu. Her neyse, burada konuştuğumuz konu boyutlar değil Wilczek’in “anyon” adını verdiği üçüncü tür parçacıklar. Wilczek’in teorisi bir süredir dolaşımda ve tartışılıyor. Başlangıçta bu teorinin deneysel olarak test edilmesinin hiç kolay almadığı düşünülüyordu ama yakın zamanda bu deney gerçekleştirildi.

Paris’teki meşhur Sorbonne Üniversitesi’nden Gwendal Fève’nin liderliğinde bir ekibin gerçekleştirdiği deney gerçekten çok ilginç; ama o deneye gelmezden önce birkaç hatırlatma yapmalıyım.

Teorik fizikte gelişmeler hep birer matematiksel spekülasyonla başlıyor. Örneğin Higgs Bosonu, 1964 yılında yapılan bir dizi spekülatif matematiğin sonucu olarak literatüre girdi. Matematik, bize orada bir güç alanı olması gerektiğini, bu güç alanının da fermion değil boson olması gerektiğini emrediyordu. Yıllar sonra bu alanın varlığı deneysel olarak kanıtlandı, konu bir spekülasyon olmaktan çıktı.

Geçmişte böyle başka spekülasyonlar da yapıldı. Mesela nötrinoların matematiksel olarak var olması gerektiği söylendi. 30 yıl sonra onların gerçekten var olduğu kanıtlandı.

Her teori bir spekülasyon

Fizikte böyle kanıtlanmayı bekleyen çok sayıda matematiksel spekülasyon var. Hatırlayın, daha dün denebilecek bir zamana kadar kara delikler de böyle bir spekülasyondu.

Herkes anyon konusunun da böyle uzun süre varlığı kanıtlanamayacak bir spekülasyon olduğunu düşünüyordu ama dediğim gibi Sorbonne’den Gwendal Feve ve arkadaşları dahice tasarlanmış bir deneyle ortaya çıktılar.

1980’lerin başlarından beri, elektronların mutlak sıfıra çok yakın derecelerde soğutulduğunda hareketlerinin yavaşladığını ve onları iki boyutlu bir uzaya hapsetmenin mümkün olduğunu biliyoruz. Böyle durumlarda elektronların İngilizcede “fractional quantum Hall effect,” adı verilen bir özel hale geçtikleri de biliniyor. Bu özel halde bir araya gelen elektronlar, normal enerjilerinin çok altında bir enerji seviyesinde bir başka parçacık gibi hareket ediyorlar.

İşte Wilczek ve arkadaşları 1984’te yazdıkları bir makalede bu özel davranış biçiminin bir üçüncü tür, yani “anyon” olduğunu iddia ediyordu.

İşte Feve ve arkadaşları, 2016’da tasarlanan bir deneyi nihayet gerçekleştirdiler, iki boyutlu özel bir çarpıştırıcı yapıp burada bu yeni tür parçacığı, yani “anyon”u gözlediler. Yaptıkları gözlemler, Wilczek ve arkadaşlarının teorik tahminlerine bire bir uyuyordu.

Şimdi tabii bu fizik biliminde bir nevi devrim anlamına geliyor; çünkü bugüne kadar bildiğimiz iki türün ötesinde üçüncü bir parçacık türü ve parçacık davranışı daha bulunmuş oldu. Bu buluşun özellikle teorik fizikte ne gibi sonuçlar yaratacağını şimdilik kimse kestiremiyor.

Ancak bildiğimiz şu: Fizik bilimi, bu en temel alanda, yani parçacık seviyesinde ciddi bir tıkanıklığın içine girmişti, şimdi buradan bir “yeni fizik” çıkar mı, herkes ona bakıyor.

Not: Bu yazıyı yazarken biri bizzat Wilczek tarafından kaleme alınmış iki popüler yazıdan çok yararlandım. Wilczek’in yazısına meraklısı https://www.quantamagazine.org/how-anyon-particles-emerge-from-quantum-knots-20170228/ internet adresinden erişebilir.

Diğer popüler dille yazılmış yazı ise https://www.quantamagazine.org/milestone-evidence-for-anyons-a-third-kingdom-of-particles-20200512/ adresinde.

Wilczek ve arkadaşlarının 1984’te yazdığı orijinal anyon teorisi makalesini ise şu adresten okumak mümkün: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.53.722

SpaceX’in Falcon roketine bağlı Crew Dragon adlı aracı çarşambayı perşembeye başlayan gece yarısı saatlerinde fırlatıldı. Araç ve içindeki iki astronot en az 1 ay Uluslararası Uzay İstasyonu’nda görev yapacak, sonra dünyaya geri dönecek.

Uzayda özel sektör devri başladı

Aslında başlık çok doğru değil; bu devir geçen yıl başladı ama bu hafta çok özel bir aşama daha kaydedildi, ilk kez uzaya özel sektörün yaptığı bir roket ve ona bağlı bir uzay aracıyla insan gönderildi.

1950’li yılların sonunda başlayan Amerikan uzay programı çok sayıda gel git yaşadı. 60’larda Sovyetler Birliği’ne karşı girişilen uzay yarışı sırasında Apollo programı uygulandı, bu araçlarla Ay’a gidildi.

Ancak Apollo programı çok pahalıydı; Amerikan Kongresi NASA’nın ödeneğini kesmek için fırsat kolluyordu. Ardından Uzay Mekiği programına girişildi. Bugün çoğu uzman, mekik programının yanlışlığını kabul ediyor. Kanatlı bir uzay aracı olarak tekrar tekrar kullanılmak üzere yapılmıştı uzay mekiği ama uzayda çok da fazla işe yaramıyordu. En fazla dünya yörüngesindeki uzay istasyonlarına insan ve kargo taşıdı bu araç.

Derken mekikler de 2011’de son uçuşlarını gerçekleştirdi ve Amerika uzay araçsız kaldı. Dünyada uzay işinin öncüsü olan ülke, son dokuz yıldır astronotlarını Rusya’dan kiraladığı araçlarla uzaya yollayabiliyordu.

Tabii bu ara dönemde çok önemli bazı değişiklikler oldu; Amerikan hükümeti uzayı özel sektöre ve rekabete açmaya karar verdi. Bu kararlılık Barack Obama’nın başkanlığı döneminde daha da artınca NASA ilk uzay ihalesini düzenledi, bu ihaleyi de Elon Musk’ın SpaceX şirketi ile Boeing kazandı.

Son birkaç yıldır gerek Uluslararası Uzay İstasyonu’na kargo taşıma ve gerekse ticari uyduların fırlatılması işlerinde SpaceX o kadar başarılı oldu ve o kadar düşük maliyetlere indi ki, sonuçta bu pazardaki hakimiyetini yüzde 70’e kadar genişletti. (Elon Musk Ankara’ya ve Anıtkabir’e turistik bir merakla gelmedi, TürkSat uydusunun fırlatılma işini almak için geldi, bu arada Cumhurbaşkanı Recep Tayyip Erdoğan’la da görüştü.)

Uzaya kargo taşıma işinden sonra NASA’nın hedefinde insanlı uçuşlar ve en önemlisi tam o dönemde geliştirilen ve “Artemis” adı verilen Ay’da kalıcı bir üs kurma planları vardı.

NASA işi üçe böldü. Bir yandan uzaya insanlı uçuş için araç geliştirilmesi gerekiyordu. Bu işi üç şirket kazandı. Ön sırada SpaceX vardı; onu Boeing ve Amazon’un Blue Origin’i izliyordu. Bu hafta SpaceX’in insanlı aracı Crew Dragon ilk kez iki astronotu aldı ve Uluslararası Uzay İstasyonu’na götürdü. Bu uçuşlar daha devam edecek. (Boeing’in insanlı uzay aracı bazı testleri geçemedi, orada bir gecikme olacak. Amazon’un aracı ise henüz hazır değil zaten.)

Ay’a gitme işinin ikinci aşaması, Ay’ın çevresinde dolaşacak bir uzay istasyonu yapmak ve bu istasyonu bir ara aşama olarak kullanmak. Yani dünyadan yola çıkacak roketler bu istasyona insan ve eşya getirecek. İstasyonla Ay yüzeyi arasındaki gidiş gelişler ise projenin üçüncü aşaması.

Ay istasyonunu muhtemelen yine SpaceX sağlayacak; onların Mars’a insanlı uçuş için geliştirdiği kapsül istasyon görevi yapacak. İstasyonla Ay yüzeyi arasındaki gidiş gelişler için ise üç firmaya ihale verildi. Birinci sırada yine SpaceX var, onu Amazon’un Blue Origin’inin öncülüğünde oluşturulan bir konsorsiyum izliyor, son sırada ise bir Türk karı kocanın şirketi olan Sierra Nevada Corp. var.

Bu haftaki ilk SpaceX’li uçuş çok önemliydi, çünkü bu bir ilk adım. Amerika bu ilk adımın ardından
2024’e kadar Ay’a yeniden insan göndermeyi ve burada Artemis adı verilen kalıcı bir üssü kurmayı planlıyor. Evet, 2024’ten sonra dünya dışı ilk insan kolonisi Ay’da kurulacak.

Ay’da kurulacak bu üs, bir yandan küçük uydumuzda madencilik dahil pek çok ekonomik aktivitenin yapıldığı yer olacak; bir yandan da insanlığın uzayda bundan sonraki adımı olarak planlanan Mars uçuşunun başlangıç noktası. Evet, Mars’a yolculuk dünyadan değil Ay’dan başlayacak; çünkü Ay’ın kütle çekimi çok daha az, bu sayede buradan fırlatılacak roketler çok daha ucuza ve çok daha kolayca yola çıkabiliyor.

Kısacası tarihi bir haftayı bitirdik. İnsanlığın epeydir ara verdiği uzay macerası yeniden başladı. Üstelik özel sektör öncülüğünde başladı. Bakalım bu macera bizi nerelere götürecek.

‘Kripto Haydut’ sanal paraları çalmanın en kolay yolunu bulmuş

Hiç kripto paranız oldu mu? Benim oldu. Yıllar önce bir alışveriş için Amerika’da birisine 1 Bitcoin’den az bir para göndermem gerekiyordu, mecburen bir ‘kripto cüzdanı’m oldu. Şimdi yıllar sonra aynı cüzdanı bu yazıyı yazmak için tecrübe olsun diye yeniden kullandım; bu sefer 1.36 Ethereum ...

Dünya sigarayı bıraktı ama akciğer kanseri yine de azalmadı

Korelasyon, birbirinden bağımsız iki farklı şeyin birlikte oluş sıklığına istatistik analizde verilen isim. Mesela otomobil kazalarının sayısındaki artışla -bir haftayı bulan, hatta geçen- dini veya milli bayram tatilleri arasında bir ilişki var. Tatil oluyor, insanlar arabalarına binip ...

Gözümüzle gördüğümüz, elimizle tuttuğumuz şeyin gerçek olduğundan emin olabilir miyiz?

Sağolsun, Alev Alatlı sayesinde ülkemizde “Schrödinger’in Kedisi” lafını duymayan kalmadı. Alev Alatlı’nın bu iki kitaplık serisi sayesinde çok sayıda insan “Schrödinger’in Kedisi” lafını biliyor ama sadece Türkiye’de değil dünyada da çok az sayıda insan bu önemli düşünce deneyinin tam olarak ...